Сцепление и рекомбинация. Мутации: роль в эволюции и индивидуальном развитии

То же и с термином процент (pro cent = на сто) который используется в разных смыслах при описании рекомбинации. 

1) Генетическое расстояние  между двумя маркерами (1сантиморган,  сМ=1% рекомбинации). Например, наблюдаемый  процент рекомбинации в потомстве  (12% рекомбинантов, как описывалось выше), где общее число потомков равно 100%. Доля рекомбинантов по одной паре маркеров не может превышать 50% от общего числа потомков (несцепленное наследование);  

2) Общая длина  генетической карты организма  (N cантиморган = N %) Рассчитывается как сумма минимальных экспериментально определенных генетических расстояний между парами маркеров, и для каждого вида своя.  

Количество последовательно  расположенных пар маркеров, каждый из которых равен, например, 12%, может  быть и не ограниченным. Восемь таких  отрезков составят в сумме 96%, а восемьдесят  отрезков – 960%. Хотя доля рекомбинантов между любыми двумя из этих 81 маркеров, конечно, не может превышать 50% от общего числа потомков. 

Отметим, в заключение, что длина генетической карты  человека определялась по цитологическим данным, которые были доступны уже  достаточно давно. В отличие от мухи, установить длину генетической карты  человека на основе экспериментов по скрещиванию невозможно. 

Поиск или диагностика  мутации, вызывающей заболевание, наследуемое  по Менделю, часто проводится по сонаследованию признака «болезнь» и маркера-свидетеля, расположенного рядом с мутантным  геном. Маркер-свидетель – это  такой маркер, который легко обнаружить при анализе. Источник ошибки диагностики - утрата связи при рекомбинации между мутацией, вызывающей заболевание  и маркером-свидетелем. Точность диагностики  тем выше, чем меньше это расстояние.  

Вопрос. Сколько генетических маркеров нужно иметь в геноме человека, чтобы обеспечить >95% точность диагностики для любого гена, если длина генома человека – 3000%. 

Точность не менее 95% означает, что не более генетическое расстояние между мутацией вызывающей заболевание и маркером составляет не более 5% рекомбинации. Следовательно до ближнего к маркеру левого и до ближнего правого маркера должно быть не более 5%, то есть расстояние между маркерами не более 5%х2=10% рекомбинации. В 10%-х интервалов в карте длиной 3000% будет 3000/10=300. То есть 300 равноудаленных маркеров будет достаточно, чтобы картировать или выявить мутацию с точностью >95%, даже ничего не зная о том, где находится исследуемый ген. Ясно, что когда это только начали делать, примерно 10 лет назад, маркеры ложились случайно, поэтому генетическую карту пришлось составить из нескольких тысяч маркеров, чтобы большинство интервалов между маркерами не превышало 10%. Сегодня в практической работе по общегеномному скринингу у человека используют панель из 384 равноудаленных маркеров.  

Молекулярный механизм гомологичной рекомбинации, предложен  Холидеем.  

Рассмотрим две  гомологичные хромосомы: папину и мамину. В них, как предполагается, происходит однонитевой идентичный в обеих  хромосомах разрыв, после которого эти части, перекрещиваясь, образуют так называемую структуру Холидея (который данную схему рекомбинации первым предложил). Далее происходит перенос точки надреза вдоль хромосомы, в результате чего части гомологичных хромосом меняются местами. В результате получаются хромосомы, составленные из кусков папиных и маминых хромосом. Механизм гомологичной рекомбинации - однонитевой разрыв в каждой из двунитевых молекул ДНК, вытеснение и замещение нити, миграция разрыва и разрешение единичной структуры Холидея.

Геномные, хромосомные  и генные мутации  

Теперь поговорим  о мутациях: геномных, хромосомных  и генных.  

Пример геномной мутации – удвоение всего числа  хромосом в геноме (автополиплоидия), она может возникать из-за нерасхождения хромосом в митозе или мейозе. 

Какое это имеет  отношение к нам? У прямых предков  человека как вида полиплоидия (чаще всего удвоение) случалась неоднократно, но последний раз – более 100 миллионов  лет назад. У животных и растений она встречается часто, особенно у культурных растений. При отборе человек просто не замечал, что отбирал  полиплоиды. Например, культурный картофель – тетраплоид, банан – триплоид, он пригоден к употреблению, так как не образует семян, в отличие от диплоида, который состоит из жестких семян и почти не имеет мякоти. 

При скрещивании  дикорастущих видов было ресинтезировано несколько видов культурных растений, например, слива (Prunus domestica). Константная и гибридная форма, полностью сходная с домашней сливой получена при скрещивании терна P.spinosa (2n=32) с алычой P.divaricata (2n=16). Это растение имело, как и P.domestica, 2n=48 хромосом. Вероятно, дикая слива в ходе эволюции получилась именно таким путем.  

А триплоиды просто так не получишь, у них даже семян не образуется, но они удобны в практических целях человека, например для получения большей урожайности и плодов без семян (у арбузов, бананов и т.д.) У арбуза гаплоидный набор n = 11 хромосом. Скрещивание тетраплоидного (4n = 44) и диплоидного (2n = 22) арбуза дало триплоид (3n = 33) – бессемянный, крупноплодный, устойчивый к заболеваниям, в отличие от родительских форм. 

Межвидовое скрещивание  можно наблюдать у близкородственных  животных: осла с лошадью – мул, или у коня с ослицей – лошак, они более выносливы, хоть и бесплодны. Вероятность появления потомства у мулов и лошаков (а это зависит от того, отойдут ли при делении все хромосомы правильно к одному полюсу) равна одной второй в степени n, где n – гаплоидное число хромосом. С такой частотой будут образовываться яйцеклетки и сперматозоиды, соответствующие по хромосомному составу родителям – ослу или лошади. Видно, что вероятность эта очень мала.  

Теперь поговорим  о хромосомных мутациях. Хромосомные  мутации - изменение числа отдельных  хромосом в геноме (анеуплоидия) или  целостности хромосом (перестройки). Это одна из причин болезней человека. Моносомия (1n) или трисомия (3n) хромосомы в оплодотворенной яйцеклетке будут смертельны для плода (кроме половых и мелких хромосом), а в соматических клетках часто приводит к раку.  

Каждая из 23 хромосом может быть покрашена в свой цвет (FISH гибридизация, справа). Каждая хромосома  прокрашивается в штрих код (G-окрашивание, слева, полоса до 0,1% от длины генома). Это позволяет увидеть изменение  числа и структуры хромосом, в  том числе при опухолевых заболеваниях. Опухолевые заболевания почти всегда связаны с перестройками генома. Хромосомы человека пронумерованы  в порядке убывания размера от 1 до 22. 

Изменение числа  хромосом, как и всякая мутация, связано  с физиологическим состоянием организма. С возрастом организм начинает функционировать  хуже, это приводит, в частности, к повышению частоты рождения детей с синдромом Дауна. Подавляющая  часть случаев синдрома Дауна  вызвана нерасхождением пары хромосом 21 в мейозе у матери. Частота рождения детей с синдромом Дауна увеличивается с возрастом матери от 1/2000 в 20 лет до 1/12 в 50 лет. Но есть и семейные случаи – транслокация гена из хр21 на другую хромосому. 

На слайде видно, что 21-я хромосома представлена трижды. Две копии вместо одной чаще присутствуют в еще неоплодотворенной яйцеклетке, а не в сперматозоиде. Это было выявлено по анализу микросателлитов, о чем будет рассказано на следующих лекциях. Сейчас до трех месяцев беременности можно провести хромосомный анализ, для этого берут клетки околоплодной жидкости и смотрят, есть ли трисомия по 21-ой хромосоме. Во многих европейских странах после 35 лет анализ беременной женщины на выявление у плода синдрома Дауна обязателен, в связи с повышением частоты рождаемости больных детей при увеличении возраста матери.  

Теперь поговорим  о хромосомных перестройках. Основные типы хромосомных перестроек:

дупликация –  удвоение сегмента

делеция – утрата сегмента,

инверсия – переворот  сегмента,

транслокация – перенос сегмента на другую хромосому 

Все они являются причинами многих болезней. 

Перестройки хромосом в гаметах часто приводят к  болезням человека - нарушениям морфологии, физиологии и поведения, особенно часто  встречается дупликация и делеция, как правило, все такие болезни сопровождаются заторможенным умственным развитием, то есть чаще всего какие бы ни были хромосомные перестройки, они затрагивают развитие наших умственных способностей, ну а кроме этого болезни сопровождаются чаще всего недоразвитием каких-либо органов (например, маленькая голова). 

В эволюции геномные и хромосомные мутации чаще фиксируются  у растений, реже у животных. Геномные мутации у животных обычно различают  таксоны более высоких порядков например отряды (сельдевые и лососевые), а у растений это могут быть и виды (пшеница и другие культурные растения). Анеуплоидия и перестройки хромосом в гаметах обычно приводят к болезням у животных человека - нарушениям морфологии, физиологии, поведения, и резко снижают возможность оставить потомство. Тем не менее сотни тысяч таких случаев зафиксированы на сегодня эволюцией – это почти любая пара родственных видов, различающиеся по структуре кариотипа (набора хромосом). Ясно, что такие изменения когда-то произошли у индивида и затем закрепились в поколениях.  

Например, хромосома  №2 человека образована при транслокации, произошедшей у наших предков после ответвления от ствола всех приматов: у орангутанга, гориллы и даже шимпанзе (5 млн. лет расхождения). У всех этих наших родственников по две независимых хромосомы, которые лишь у человека оказались соединенными. Часто, хотя и не всегда, перестройки приводят к понижению жизнеспособности, но в нашем случае получилось не так, мы получили две разных хромосомы шимпанзе, которые соответствуют хромосоме №2 человека. Это видно при поперечном окрашивании хромосом, которые выявляют идентичные в геноме фрагменты хромосом. Все люди на Земле имеют общего предка, у которого произошла эта транслокация (меньше 5 млн. лет назад) 

Число хромосом у  млекопитающих может различаться  в десятки раз, хотя размер генома отличается менее чем на 20%. У человека число пар хромосом 23, а у лошади – 66, у обитающего в Азии оленя-мунтжака – 6 хромосом. Исключение составляет южно-американский грызун, называемый красной вискашевой крысой (латинское название Tympanoctomys barrerae, английское – red viscacha rat), хотя крысе оно весьма отдаленный родственник). У этого животного геном не диплоидный, а тетраплоидный, содержит в два раза больше ДНК, чем у остальных млекопитающих, и 102 хромосомы. 

Если до общего предка млекопитающих около 200 миллионов  лет и около 60 транслокаций (перестроек разных хромосом), то 1 транслокация сохраняется и дает начало новому виду не реже чем раз в 3 млн лет. А так как недетектируемых внутрихромосомных перестроек больше на 1-2 порядка, то это означает, что носители таких перестроек выживают гораздо чаще, нежели раз в 3 млн. лет. Последний раз такая перестройка в линии человека произошла не более 5 млн. лет назад.  

Геномные и хромосомные  мутации могут появляться и в  соматических клетках человека и  животных. В этом случае они не передаются потомству, но часто связаны с  развитием рака. Реципрокная транслокация фрагментов между хромосомами 8 и 14 в лимфоцитах человека приводит к лимфоме Бёркита: к гену иммуноглобинов присоединяется ген онкогена с-MYC, меняя его регуляцию.  

Таким образом, перестройки, происходящие в соматических клетках, влияют только на нас, а на следующее  поколение не влияют. Те перестройки, которые происходят в клетках  зародышевого пути, могут пройти через  эволюционное «сито» и остаться в  поколениях, Это может привести к  репродуктивной изоляции индивидов  с перестройками от других индивидов  внутри данного вида. 

 Хотя в клетках  зародышевого пути геном остается  постоянным, изменение структуры  генов и генома может быть  нормальной частью жизненного  цикла. У некоторых эукариот  число хромосом в соматических  клетках отличается от числа  хромосом в клетках зародышевого  пути. У некоторых простейших  в определенной фазе развития  геном распадается по на несколько тысяч хромосом, предположительно соответствующих отдельным генам. Размер генома вегетативных клеток и клеток зародышевого пути также может различаться. Например, у некоторых круглых червей в соматических клетках (но не в клетках зародышевого пути!) подавляющая часть генома утрачивается (явление называется диминуцией хроматина). У человека перестройки генов иммуноглобулинов в лимфатических клетках - условие образования разных антител. Только при таком условии в организме может образовываться то разнообразие антител, которое может обеспечить необходимую защиту. То есть перестройки генома могут быть управляемыми и необходимыми.  

Несколько слов про генные мутации. Генные мутации являются скачкообразными изменениями отдельных локусов хромосом – генов. Мутантные гены сохраняют свойство репродукции при делении ядра клетки, вследствие чего мутационные изменения наследуются. Мутации могут быть прямыми (нуклеотид Т в данной позиции заменен на нуклеотид С) и обратными (мутантный нуклеотид С в данной позиции заменен на нуклеотид Т, характерный для дикого типа). Частота мутирования в обоих направления характерна для каждого локуса. Для разных типов мутаций она варьирует от 10-6-10-8 на нуклеотид на генерацию до 3*10-1. Спонтанный мутационный процесс обусловливается свойством самого гена, системой генотипа, физиологическим состоянием организма и колебанием факторов внешней среды. Каждый локус – ген может мутировать в несколько состояний, образуя серию множественных аллелей. Для примера скажем, что существует ген супрессора опухолей, где обнаружены сотни мутаций, при каждой из которой опухоль может развиться в разных местах.